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作者|杨福福、丁志江、肖东志
燕山大学环境与物理工程大学
概括
生物质烟尘是生物质气化气中的主要杂质之一，其去除效果对生物质气化发电机组的安全运行具有重要影响。 以干式电除尘器为试验平台，研究了不同影响下生物质烟气的特性和干式电除尘器的除尘效率，并比较了湿式和湿式除尘效率。 研究结果表明，生物质粉尘主要含有C、O、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe等元素，中值粒径为26.05 μm。 在相同条件下，随着水压的降低，除尘效率逐渐降低。 降低到0.4MPa时，无大的变化。 除尘效率随着电场风速和焦油含量的降低而降低。 该溶液有利于除尘。 极限匹配型为RS型双刺刺绳，配480C型板。 当水压为0.4MPa，电场风速为1.0m/s时，除尘效率可达99.21%。
关键词：干式电除尘器； 生物质烟气； 除尘效率； 影响因素
0 序言
生物质原料在燃烧或汽化过程中，不仅产生CO、CH4、H2等可燃性二氧化碳，还富含其他有害杂质，如焦油、H2S、NH3、HCN、HCl和碱度（粉尘、碳颗粒、碱金属）等。 此类杂质极易导致汽化设备、管道、蝶阀等部件生锈、腐蚀，影响系统运行，并对人体造成危害。 为此，生物质气化气体除尘是解决生物质气化发电技术应用的关键技术之一。
生物质气化气的净化方法主要有湿法净化法、湿法净化法和干湿联合净化法三种。
在湿式净化系统中，旋风除尘器对细颗粒物的去除效率较低，通常除尘效率高于80%。 生物质气化气中的飞灰和焦油往往对布袋除尘器和陶瓷除尘器的寿命和过滤阻力不利电除尘器的优缺点，导致设备不能常年稳定运行。
干式静电除尘器对细颗粒物的去除率高，压力损失小，工作温度范围广，因此可以处理低温二氧化碳。 而且，在漂洗水底部加入物理试剂，还可以去除气体中的其他杂质。
本文采用干式电除尘器对生物质粉尘进行除尘，研究不同激励因素对其除尘效率的影响，为工业生物质气化气体净化工艺的设计和优化提供参考。
1 实验部分
1.1 实验原理
干式电除尘器的工作原理：雾直接喷向放电电极和电场区电除尘器的优缺点，在放电线和集尘电极之间产生的场强区带上湍流，破碎后，进一步雾化成细小的带电湍流；另一方面，在直流高压作用下，二氧化碳电离使烟尘带电，再通过电场力与带电湍流的碰撞拦截、吸附、聚结流，烟尘颗粒被收集在一起，最后烟尘颗粒在电场力的驱动下，到达集尘极并被捕获并与漂洗水一起喷射到集尘极，形成连续的水膜。 流动的水将捕集的粉尘带入灰斗，随水排出。
干式静电除尘器的除尘过程可分为四个阶段：二氧化碳的电离；
1.2 实验装置
干式电除尘器除尘效率测定装置如图1所示。实验装置主要由给料器（1）、直流高压供电系统（3）、喷淋系统（4）、风机（7）和排尘收集系统（8）等组成。
图1 干式电除尘器系统示意图
2 结果与分析
2.1 生物质粉尘特性研究
2.1.1 生物质粉尘物理成分分析
生物质粉尘喷金后，利用X射线能谱仪对其物理成分进行了测定，结果如表1所示。生物质粉尘主要含有C元素、O元素以及Mg、 Al、Si、K、Ca、Fe，其中Si、K元素在无机元素总组成中所占比例最大，Ca、Mg、Fe的含量相对较低，Al含量最低，仅0.37%。 对于提高电除尘器的除尘效率，Si、K、Fe等元素是有利的诱因，而Ca、Mg的浓度过低则会产生不利影响。
表1 生物质烟尘物理成分
2.1.2 生物质粉尘粒径分布
为了探究干式电除尘器是否适用于生物质烟气的脱除，需要对生物质烟气的粒径分布进行检测。 本实验采用激光细度分布仪对生物质粉尘的粒径分布进行检测，结果如图2所示。
图2 生物质烟尘粒径分布
从图2可以看出，生物质烟尘的粒径分布比较宽，68.26 μm以下的粒径约占90%，平均粒径D50=26.05 μm，约占烟尘粒径的10%小于 6 μm。 静电除尘器可消除粒径为0.1～100μm的颗粒。
2.2 电除尘器对生物质烟气的捕集效率
2.2.1 配杆方式对除尘效率的影响
放电丝是电除尘器形成电晕电压的主要部件，因为每种类型的放电丝都有其异同，针对不同的烟气性质应选择不同的放电丝来匹配电极板。 如粉尘含量高，易发生电晕闭塞时，宜选用RS多刺线或人字线，粉煤灰比内阻高时，宜选用星形线。
为确定什么样的放电丝和480C板组合适用于生物质烟气的去除，选用了三种放电丝（RS双刺刺丝、鱼骨针刺丝和星形丝）进行实验。
实验条件：入口烟气含量200mg/m3，水压0.4MPa，电场风速1.0m/s，电流为火花跟踪电流。 实验结果如表2所示，当极限匹配型号为480C-RS双刺刺绳时，除尘效率最高，为99.21%。 二是480C——鱼骨针刺线。 当出料线为星线时，除尘效率最低。 原因是：星线产生的电场是二维电场，启动电流大，电压密度低，生物质烟气不能有效带电，所以除尘效率不是很高.
鱼骨针刺线虽然放电性能优于RS二刺线，但其电压密度分布不??均匀，对细微颗粒物的收集效果不如RS二刺-带刺的带刺电线。 在高压电场作用下，RS双刺线尖端放电产生的电场为三维电场，可形成强烈的电晕放电。 强大的粒子流可以破坏负空间电荷效应，防止电晕闭塞的形成。 同时，强大的颗粒流可以形成高速电风，电生物质可以促进带电烟气向除尘器运动，明显降低烟尘的驱动率，从而提高除尘效率。
表2 不同配极方式的除尘效率
2.2.2水压对除尘效率的影响
在一定的其他条件下，调节水压，测量干式电除尘器在0.2、0.3、0.4、0.5、0.6MPa五个水压值下对生物质烟气的去除效率。 从图3可以看出，当水压由0.2MPa降低到0.4MPa时，干式电除尘器的除尘效率迅速提高。 水压达到0.4MPa后，降低水压对除尘效率影响不大。 这主要是由于当水压高于0.4MPa时，喷嘴喷出的水雾粒径大，分布不均匀，不利于对设备的除尘。干式静电除尘器。 当水压达到0.4MPa时，喷嘴喷出的雾粒粒径比较细。 此时雾气弥散度高，分布均匀。 二氧化碳电离形成的电子有更多的机会与雾粒发生碰撞，从而使气流中运动的水分子更多。 但是，由于水分子的电导率较高。 高，能吸引大量离子，使其在阴极丝和阳极板之间移动，并产生稳定的电压，使生物质烟尘颗粒充分带电连接到除尘器上，获得更高的除尘效率。 水压达到0.4MPa后，喷头喷出的雾粒粒径已经相当细小均匀。 降低水压不仅对除尘效率影响不大，而且浪费水资源。 因此，对于生物质烟气的消除，水压可选择0.4MPa。
图3 不同水压下的除尘效率
2.2.3 电场风速对除尘效率的影响
在一定的其他条件下，改变风速，测量干式电除尘器在0.6、0.8、1.0、1.2、1.4m/s 5个等级电场风速值下对生物质烟气的去除效率。 如图 4所示，对于三种立杆配置类型，干式电除尘器对生物质粉尘的去除率随电场风速的降低而降低，但电场风速较高时除尘效率降低程度电场风速低时，风速大。 以480C-RS双刺刺丝为例，当电场风速由0.6m/s降低到1.4m/s时，除尘效率也从99.79%提高到94.96%。 原因是当电场风速过大时，带电粉尘在电除尘器内停留的时间比较短。 它被气流带出除尘器。
图4 不同电场风速下的除尘效率
2.2.4 焦油干扰对除尘效率的影响
焦油是生物质气化过程中不可避免的副产品。 在低温下为气态，与可燃气体完全混合，但在高温下凝结成液体，易与水和颗粒结合。 在一定的其他条件下，在生物质烟气中加入0、10、20、30、40、50mg/m3的焦油含量，模拟生物质烟气与焦油的粘附，测定除尘效率。
从图5可以看出，焦油含量低时除尘效率影响较小，随着焦油含量的逐渐降低，除尘效率逐渐降低。 在干式静电除尘器中，颗粒的比内阻不再是影响捕集效率的主要因素，取而代之的是介电常数。 介电常数越大，收集效率越高。 焦油的介电常数通常约为2.3，仍远小于水滴。 因此，当烟气中混入焦油时，会对除尘效率产生一定的影响。 而且焦油的粘度比较大，一旦粘附在电极上就很难清洗干净，进而影响放电丝的放电，提高除尘效率。
图5 焦油干扰下的除尘效率
2.2.5 喷雾溶液对除尘效率的影响
在其他一定条件下，在漂洗水底部加入氨水体积分数分别为0%、2%、3%、4%、5%和6%的氢氧化钠碱液，测定除尘效率。 结果如图6所示。
图6 添加氨水后的除尘效率
从图6可以看出，当生物质气化气颗粒中混有焦油时，在漂洗水底部加入少量溶液有利于除尘效率的提高，但随着NaOH碱液的体积分数为 1%，下降到 6%。 除尘效率逐渐降低，当降低到一定水平时，又呈上升趋势。 一方面，由于焦油呈强酸性，在漂洗水底部加入少量溶液可以中和，降低其浓度。 另一方面，根据液滴饱和电荷的公式（1）可知，液滴饱和电荷随相对介电常数的变化而变化。 不同碱液的相对介电常数随体积比而变化，导致不同体积比的碱液液滴饱和电值不同，液滴电荷会影响电晕放电电压，从而影响除尘效率。
在公式：
qs 为液滴饱和电荷；
εr 是相对介电常数；
ε0 为真空介电常数；
r 是液滴半径；
E∞ 是未受干扰的电场硬度。
但生物质气化气中富含一些碱性杂质二氧化碳，连续喷洒溶液可以调节生物质气化气的pH值，减缓碱性二氧化碳对设备的腐蚀，减少焦油对电极的粘附。 事实上，在漂洗水底部加入少量溶液，有利于提高干式静电除尘器对生物质烟气的去除效率。
2.3湿式和湿式除尘效率对比
在水压为0.4MPa，电流为火花跟踪电流，极配型为480C-RS双刺刺电线的情况下，测得5级电场风速值为0.6， 0.8、1.0、1.2 和 1.4m/s。 湿式和湿式静电除尘器对生物质烟气的去除效率。
如图7所示，对于生物质粉尘的去除，干式电除尘器的除尘效率高于湿式电除尘器。 主要原因是干式静电除尘器不仅具有与湿式静电除尘器相同的除尘机理，其喷淋产生的大量湍流，在电场作用下，与负离子和自由电子相互作用而带电，导致带电湍流。 高电荷湍流具有高荷质比，可显着提高结合颗粒的静电凝聚和动态凝聚效果，尤其能提高静电除尘器捕集粒径小于2μm的细颗粒的能力. 据悉，经过湍流充电后，表面张力增加，颗粒更容易粘附在表面。 同时，喷洒后粉尘表面被润湿，其亲水性提高，使颗粒更容易团聚，颗粒与液滴之间更容易团聚，从而使颗粒粒径减小，更容易去除。 而且，与湿式电除尘器相比，干式电除尘器受颗粒特性、灰分成分、比内阻等因素的影响较小，有利于除尘。
图7湿式、湿式除尘效率
3 推论
本文借助干式电除尘器进行了生物质气化气的除尘实验。 通过改变电杆配置、水压、电场风速、焦油干扰和添加溶液等条件，对上述诱因进行了考察。 对生物质烟气除尘性能的影响，得到以下推论：
(1)杆配置型式、水压和电场风速的变化都会影响除尘效率。 随着水压的降低，除尘效率逐渐降低，适宜的水压范围为0.3-0.4MPa； 反之，除尘效率随电场风速的减小而降低。 当电场风速为1.0m/s时，达到较高的除尘效率，可节约生产成本。
(2)生物质粉尘附着少量焦油时，除尘效率有所提高，但效果不显着。 在漂洗水底部加入少量溶液，可以消除少量焦油对除尘效率的干扰。
(3)极配型为480C-RS双刺刺丝时，水压0.4MPa，电场风速1.0m/s，除尘效率99.21%。
(4)对于生物质气化气烟尘的消除，干式电除尘器的除尘效率高于湿式电除尘器。 使用干式电除尘器可使出口气体含尘量降至10mg/m3以下，可满足内燃机及其他发电机组对生物质气化气体的含尘量要求。
关于作者
杨福福，硕士，主要研究方向为大气污染控制工程。
肖立秋，博士，副院长，主要研究方向为大气污染控制工程。